当晶体频率超过30MHz甚至100MHz时，很多规格书会出现 3rd Overtone（3次泛音）、5th Overtone（5次泛音） 等参数。

泛音晶体到底是什么？

为什么晶体能够输出3次、5次甚至7次泛音？

为什么没有2次、4次泛音？

泛音晶体与普通基频晶体有什么区别？

石英晶体又有哪些振动模式？

本文将介绍石英晶体的泛音振荡原理及常见振动模式。

什么是泛音晶体（Overtone Crystal）？

普通石英晶体通常工作在基频（Fundamental Frequency），即晶体的最低固有谐振频率。随着工作频率不断提高，如果继续采用基频设计，就需要不断减薄石英晶片厚度。晶片越薄、加工难度越高、良率下降、强度降低，容易破裂、功率承受能力下降。

因此，当频率进入几十MHz以上时，行业通常采用泛音（Overtone）振荡来获得更高的输出频率，而无需继续减薄晶片。

- 20 MHz 基频晶体，可工作在 3 次泛音约 60 MHz；

- 20 MHz 基频晶体，可工作在 5 次泛音约 100 MHz。

需要注意的是，这并不是PLL倍频，而是利用晶体自身存在的高阶机械谐振模式。

泛音晶体为什么只有奇次泛音？

石英晶体主要采用厚度剪切振动（Thickness Shear Mode）。

除了整体上下振动之外，晶片内部不同厚度的位置也会同时发生机械振动。在高阶振动模式下，晶体厚度方向会形成多个振动层，相邻区域沿相反方向运动。由于偶数阶振动具有对称性，其产生的电荷会互相抵消，因此难以形成有效输出。

而奇数阶振动能够形成净电荷输出，因此石英晶体通常只利用：

3 次泛音（3rd Overtone）

5 次泛音（5th Overtone）

7 次泛音（7th Overtone）

因此，大多数石英晶体规格书中几乎不会看到2次、4次或6次泛音。

石英晶体有哪些振动模式？

石英晶体根据切型和应用不同，可以采用多种机械振动模式。

1. 弯曲振动（Flexure Mode）

最典型的是32.768 kHz音叉晶体。由于晶片形状类似音叉，两侧晶臂周期性弯曲，因此又称音叉晶体（Tuning Fork Crystal）。

其特点是：工作频率低；功耗极低；主要用于RTC实时时钟。频率一般低于100 kHz。

2. 长度伸缩振动（Extensional Mode）

长度伸缩模式主要沿晶片长度方向振动。

常见切型包括：MT Cut、GT Cut。工作频率一般为40～200 kHz，主要应用于部分低频频率控制器件。

3. 面剪切振动（Face Shear Mode）

属于低频剪切振动。

常见切型包括：CT Cut、DT Cut。工作频率一般约100～600 kHz。目前应用相对较少。

4. 厚度剪切振动（Thickness Shear Mode）

这是现代石英晶体应用最广泛的振动模式。

常见切型包括：AT Cut、BT Cut、SC Cut。

其频率范围大致如下：

基频：1～30 MHz

3次泛音：30～90 MHz

5次泛音：60～150 MHz

通信设备、工业控制、网络设备以及高稳定晶体振荡器大多采用厚度剪切模式。

泛音晶体适用于哪些应用？

泛音晶体主要用于需要较高频率输出，同时保持石英晶体高Q值、低相位噪声优势的应用，例如：

网络交换机

通信设备

工业控制

射频系统

测试测量仪器

高频时钟源

PLL参考时钟

对于100 MHz以上的高频应用，泛音晶体仍然是许多高性能系统的重要频率参考方案。

KOAN晶振

KOAN专注于石英晶体谐振器和晶体振荡器产品研发及应用支持，产品涵盖基频晶体、泛音晶体、时钟振荡器、TCXO、VCXO、OCXO等系列，可提供不同频率、切型及封装方案，满足通信设备、工业控制、汽车电子及高性能时钟系统等应用需求。